科大“主研”量子计算机诞生 速度领先国际同行24000倍

news.wehefei.com   发布时间:2017-05-04 09:06:28    来源:中安在线  

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核心提示:昨天,世界首台超越早期经典计算机的光量子计算机诞生。这台量子计算机不仅是“中国造”,而且是由中国科大主导研制的,该校潘建伟教授及其同事陆朝阳、朱晓波等,联合浙江大学王浩华教授研究组,在基于光子和超...

  昨天,世界首台超越早期经典计算机的光量子计算机诞生。这台量子计算机不仅是“中国造”,而且是由中国科大主导研制的,该校潘建伟教授及其同事陆朝阳、朱晓波等,联合浙江大学王浩华教授研究组,在基于光子和超导体系的量子计算机研究方面取得了系列重要进展。记者从中国科大获悉,当天中国科学院量子信息和量子科技创新研究院在上海举行新闻发布会,介绍了这一研究进展。

  量子计算机打破世界纪录

  据介绍,潘建伟院士研究团队利用高品质量子点单光子源构建了用于玻色取样的多光子可编程量子计算原型机,首次演示了超越早期经典计算机(ENIAC、TRADIC)的量子计算能力。这是历史上第一台超越早期经典计算机的基于单光子的量子模拟机,为最终实现超越经典计算能力的量子计算这一国际学术界称之为“量子称霸”的目标奠定了坚实的基础。

  量子计算利用量子相干叠加原理,在原理上具有超快的并行计算和模拟能力,计算能力随可操纵的粒子数呈指数增长,可为经典计算机无法解决的大规模计算难题提供有效解决方案。例如,一台操纵50个微观粒子的量子计算机,对特定问题的处理能力可超过超级计算机。发展量子计算技术的主要挑战是通过发展高精度、高效率的量子态制备与相互作用控制技术,实现规模化量子比特的相干操纵。

  由于量子计算的巨大潜在价值,欧美各国都在积极整合各方面研究力量和资源,开展协同攻关;同时,大型高科技公司如谷歌、微软、IBM等也纷纷强势介入量子计算研究。

  目前起步优于电子计算机

  多粒子纠缠的操纵作为量子计算的技术制高点,一直是各国角逐的焦点。潘建伟团队在多光子纠缠领域研究始终保持着国际领先水平,并于2016年底把纪录刷新至十光子纠缠。在此基础上,团队利用自主发展的综合性能国际最优的量子点单光子源,通过电控可编程的光量子线路,构建了针对多光子“玻色取样”任务的光量子计算原型机。

  实验测试表明,该原型机的“玻色取样”速度不仅比国际同行之前类似的所有实验加快至少24000倍;同时,通过和经典算法比较,也比人类历史上第一台电子管计算机(ENIAC)和第一台晶体管计算机(TRADIC)运行速度快10~100倍。5月2日,该研究成果以长文的形式在线发表于《自然光子学》。

  世界首台电子管计算机(ENIAC)1946年诞生于美国宾夕法尼亚大学,这台计算机占地约有10个房间大小,重达30吨。尽管体积庞大、耗电惊人,运算速度不过每秒几千次,但却宣告了一个新时代的开始,人类从此步入科学计算时代。经过70多年的发展,今天的超级计算机运算速度已经超过每秒万亿次。而5月3日,由中国科大潘建伟院士团队宣告构建的光量子计算机或许可以标志着人类由电子计算机时代开始步入量子计算机时代。“我们构建的首台光量子计算机运算速度是首台电子管计算机的10~100倍,这就说明量子计算机起步优于电子计算机。”陆朝阳教授告诉记者:“相比经典的电子计算机,量子计算机的发展具有更大的‘加速度’,因此,量子计算机全面超越电子计算机,应当是指日可待、曙光在前。”

  未来全面超越经典计算机

  量子计算机的研发有着不同的技术路线,5月3日召开的新闻发布会上,潘建伟院士团队同时公布了在超导体系研究方面的突破性进展。2015年,谷歌、美国航空航天局和加州大学圣芭芭拉分校宣布实现了9个超导量子比特的高精度操纵,这个纪录在2017年被中国科学家团队首次打破。朱晓波、王浩华和陆朝阳、潘建伟等合作,自主研发了10比特超导量子线路样品,通过高精度脉冲控制和全局纠缠方案,成功实现了目前世界上最大数目的超导量子比特的多体纯纠缠,并通过层析测量方法完整地刻画了十比特量子态。研究团队还利用超导量子线路演示了求解线性方程组的量子算法,证明了通过量子计算的并行性加速求解线性方程组的可行性,研究成果即将发表于《物理评论快报》。

  “当量子比特的操纵数量达到5个比特就能超越早期经典计算机,25个左右的时候,就能和现在的普通计算机计算能力相当。”5月3日的新闻发布会上,潘建伟院士透露,目前研究团队正在致力于20个超导量子比特样品的设计、制备和测试,有望在今年年底实现这一目标;预计到2020年左右,能够达到50个左右的纠缠,届时量子计算机将全面超越经典计算机。

  王伟新安晚报、安徽网记者陈牧

  □链接

  “量子”是什么?

  量子是最小的、不可再分割的能量单位。这个概念诞生于1900年。中学物理书上提到的分子、原子、电子,其实都是量子的不同表现形式。也可以说,我们的世界都是由量子组成的。而我们每个人,都是“24K”纯量子产品。

  量子同时处于多种状态和多个位置的“叠加”。比如一只猫在宏观世界中它要么是活的要么是死的,但如果在量子世界中,它同时处于生和死两种状态的叠加。但是,如果你去测量一个量子,那么它就会从多个状态、多个位置,变成一个确定的状态和一个确定的位置了。如果说一个量子已经很“奇怪”,那么当两个量子“纠缠”在了一起,那种不确定性连爱因斯坦都受不了了。

  如果两个量子之间形成了“纠缠态”,那么无论相隔多远,当一个量子的状态发生变化,另一个量子也会超光速“瞬间”发生如同心灵感应的变化。基于量子的叠加态与纠缠特性,量子计算机被认为将是最具威力的量子信息应用。此次亮相的多光子可编程量子计算机,就是探索成果之一。未来,其超级计算能力的实现,将为金融分析、气象预报、药物研发等大规模计算提供全新的方案。量子计算机还可以通过“模拟”,来解决科学研究中的一些未解之谜。

  何时飞入寻常百姓家?

  ——10年内专用量子计算机有望“实用化”

  从诞生以来,量子力学就一直在催生众多重大发明,包括原子弹、激光、晶体管、核磁共振、全球卫星定位等。量子计算机的问世,有助于解决现有计算机也难以解决的问题。

  “10年内,超导量子操纵有可能做到100个粒子。到那时,它对某些特定问题的计算能力就可以达到目前全世界所有计算能力之和的100万倍,计算能力将会突飞猛进。”潘建伟说,此外量子计算机能耗更低。

  专家认为,计算能力极限的大幅提升,意味着量子计算机可以分析更多数据。比如,实现精准的天气预报,躲避飓风海啸;计算优化的出行线路,让城市减少堵车;识别有效的分子组合,降低药物的研发成本和周期;甚至可以用于探索太空,较快辨别可能存有生命体的行星。

  潘建伟预测,造出“专用”量子计算机,在求解材料设计、化学研究、物理研究等特别需要、特别有用的问题上超越“超级计算机”,有望在10年出现,最终还将拓展到量子人工智能领域。

  原标题:科大“主研”量子计算机诞生速度领先国际同行24000倍


责任编辑:吴晓雯
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